小型非道路柴油機排放技術路線綜述摘要：（非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國、階段）已經實施，為滿足此法規，探討一種開發低成本柴油機的路線。關鍵詞：小型非道路柴油機 排放控制1.引言能源與環保是當今世界發展的兩大主題。隨著社會經濟的發展，非道路用柴油機的污染物排放問題日益得到人們的普遍關注。世界主要國家均制定了非道路用柴油機的排放法規。要滿足未來更嚴格的排放法規，需要對原有機型進行技術升級，進行排放控制研究。隨著全球工業高度發展，環保已經成為人們最為關注的問題之，各國家和地區都先后推出了本地的環保法規來保護我們的地球。然而在城市大氣污染中汽車和工程機械的污染是不可忽視的一分，發達的國家首先在汽車上執行了排放法規，而后在工程機械其它內燃機動力設備上執行。我國在汽車和工程機械排放法規執上相對較晚，但從這幾年汽車排放標準推進的進度來看是很快。中國農業的日漸現代化，小型非道路柴油機在農業上得到了廣泛的應用。由于小型非道路柴油機的應用，節省了大量的勞動力，提高了我國糧食的產量，農業機械化是我國農業的必然趨勢，所以小型非道路柴油機在我國還有很廣泛的發展空間1。2.排放的法規目前世界上非道路用機動設備排放標準以美國和歐盟的標準最具代表性。美國是世界上治理尾氣排放最早的國家。1964年，美國加利福尼亞州在世界上率先邁出了控制車輛尾氣排放的第一步，1970年美國國會通過了“凈化空氣法案”，并組建了美國聯邦環保署(EPA)。同年，歐洲和日本也制定了相應的排放控制標準。此后的幾十年，各國都相繼制定了越來越嚴格的汽車排放標準。但非道路用機動設備尾氣排放引起的空氣污染問題，并未引起人們的重視。直到20世紀90年代，歐美國家才開始著手研究和限制非道路用機動設備的尾氣排放2。非道路用柴油機的排放法規在美國最為嚴格，目前僅有美國和中國對所有功率段柴油機都提出其排放限值。中國的國家標準GB20891-2007給出了中國非道路用柴油機排放階段和階段的限值。美國、歐盟、日本的37kW的非道路用柴油機法規排放限值如表1、表2和表3所示，中國現行的37kW的非道路用柴油機法規排放限值如表4所示。分析表1表4可以看出，美國是控制排放最嚴的國家，最早提出控制非道路用柴油機排放。我國單缸柴油機產量最大，按功率計算占總產量的近40%，因此從保護環境的角度出發，對全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我國起步較晚，以2009年10月執行第階段限值為例，它與美國2000年開始執行的第階段限值是相同的，兩者相差10年。日本和歐盟等國小功率、單缸柴油機用量較少，歐盟對18kW以下的柴油機尚未提出排放法規限值3。表1美國37kW的非道路用柴油機法規排放限值柴油機功率/kw階段實施年份COHC+NOxPMP8Tier120008.010.51.00Tier220058.07.50.80Tier420086.67.50.408P18Tier120006.69.50.80Tier220056.67.50.80Tier420086.67.50.4028P37Tier119995.59.50.80Tier220045.57.50.60Tier4 interln20085.97.50.30Tier4 final20135.04.70.03表2歐盟37kW的非道路用柴油機法規排放限值柴油機功率/kw階段實施年份CONOxHCPMP18/18P37Stage1/Stage220015.58.01.50.8Stage3A20085.57.50.6表3日本37kW的非道路用柴油機法規排放限值柴油機功率/kw階段實施年份CONOxHCPMP18/8P18Tier220035.09.01.50.818P37Tier220035.08.01.50.60Tier320075.06.01.00.30Tier420125.04.00.70.02表4中國37kW的非道路用柴油機強制標準的排放限值柴油機功率/kw階段實施年份CONOxHCPMP18Tier12007.1012.318.4/Tier22009.108.010.51.08P18Tier12007.108.412.9/Tier22009.106.69.50.818P37Tier12007.108.410.82.11.0Tier22009.105.58.01.50.8另外，從國外排放法規看，由于小功率柴油機多為單缸或兩缸柴油機，對18kW以下的柴油機排放法規限值加嚴量相對較大，功率段要少，如美國從現在到2013年，法規有Tier3，Tier4初和Tier4終共3個階段，但18kW以下的柴油機排放限值僅都為一個階段限值。歐盟第階段有A，B，C對37kW以下的柴油機排放限值也僅為一個限值，但限值要求明顯提高。這說明，小功率柴油機受結構、成本及用途等因素限值，降低排放的一些先進技術(如增壓、EGR、電控等)難以應用。特別是單缸柴油機對較低要求的排放限值僅能通過機內凈化解決，而高要求的排放限值也只能以機內凈化為主，通過排氣后處理(如氧化型催化器)解決。隨著柴油機的廣泛使用，柴油機的環境污染，噪聲污染、冷起動性能及振動，已經成為衡量柴油機的技術水平的重要指標。應該借鑒國外先進管理經驗，在加強立法和嚴格執法的同時，還應進一步依靠技術進步和先進的測試設備支撐。要滿足現行及未來的排放法規，就必須降低有害物質 CO、HC、NOx 和微粒的排放，采取各種技術措施，實現動力性，經濟性和低排放目標。3.技術路線3.1噴霧油束油線在燃燒室的周向分布設計通過油束油線在活塞頂燃燒室周邊落點的幾何分布可以討論燃油與空氣的周向混合的均勻性。對于傳統的兩氣門發動機，考慮到進氣、噴油和燃燒室的匹配要求，氣缸中心、燃燒室中心、噴油嘴中心三者不能重合。由于油嘴中心與燃燒室中心不重合， 按在活塞頂投影布置油線落點的原則， 已有的設計有等圓弧、 等角度、等面積3種。所謂等圓弧是指落點之間的燃燒室的周壁等弧長，等面積是指兩油線夾角在活塞頂上的扇形投影面積相等，等角度是指相鄰兩油束在活塞頂平面的投影夾角相等。試驗結果表明：油線等角度布置時，柴油機的低速性能較好；油線等面積布置時，柴油機的高速性能較好；油線等圓弧布置時，可在高低速之間取得折中的性能指標。此外，無論采用哪種方案布置油線，其噴孔的油束油線均應以燃燒室中心與油嘴中心形成的連線為中心對稱布置，此時各油線的長度差值最小。因噴油器相對氣缸中心傾斜安置， 各噴油孔與噴油嘴軸線之間有不同的傾斜角，造成噴油嘴各噴孔的噴油量不均等，由于存在各噴孔的噴油量差異，采用上述等面積布置油線顯然不能實現周向等空燃比的油氣分布。合理的周向油線布置原則應該是噴孔的噴油量偏差與活塞頂燃燒室油線夾角的投影面積大小成對應關系4。3.2重新設計燃燒室結構燃燒室形狀對室內的氣體流動、油氣混合和燃燒的進行影響很大，從提高性能、降低排放的全面要求出發，在設計時我們主要考慮以下幾點:(1)增大燃燒室容積比，這對于提高柴油機的冒煙界限、降低碳煙和顆粒的排放都起到了很好的作用；(2)兩種結構的共同之處是都由直口式結構改為縮口結構,徑深比適當減小以增強燃燒室內渦流強度，從而加速了混合氣的生成、避免局部混合氣過濃。縮口結構形式的燃燒室雖然使燃燒室的燃燒溫度略有上升，不利于控制NOx的排放；但它能夠滿足推遲供油的要求，這又很大程度上抑制了NOx的生成，最終推遲供油對NOx的抑制作用成為了主要影響因素，使得NOx的排放大大降低5。3.3柴油機機體的改進設計在小型非道路柴油機機體進行有限元分析的基礎上，對機體進行了強化改進，改進的指導思想是采用剛性化設計，在結構的剛度和強度上滿足今后進一步提升平均有效壓力的要求，在性能上滿足排放要求，機體的氣缸蓋螺栓孔采用深沉孔結構，將氣缸蓋螺栓孔搭與主軸承蓋螺栓孔搭通過較粗的加強肋聯為一起，使機體在承受氣缸爆發壓力時變形降至最小。同時將機體裙部改為雙曲面結構并布置合適的加強肋。通過以上改進措施大大強化了機體的剛性，減小了機體缸套孔在工作過程中的變形量6。3.4機體鑄件質量水平的提高缸孔壁厚的均勻性除對柴油機的散熱效果有影響外，更主要的是由于其壁厚不均而產生較大的變形，這無疑會導致排放的進一步惡化。因此，重新設計制造鑄模，采用新的缸體工藝生產鑄件，使生產的鑄件不但缸套孔壁厚均勻，其冷卻水套形狀以及鑄件的強度、剛性、外觀質量等都有明顯的改善提高7。3.5配氣相位的調整合適的配氣相位對柴油機的性能和排放的有非常大影響。進氣采用較小的早開晚關角，有利于最大扭矩點的充氣效率。排氣采用較小的晚關角，使氣缸內留有適量的殘余廢氣，以改善NOX的排放。3.6油泵油嘴的重新匹配為了降低排放，在供油系統上首先考慮提高噴油泵的泵端壓力、提高供油速率。(1)泵端壓力提高了以后，燃油霧化變好、油霧顆粒的平均直徑減小，這使得燃油與空氣的混合更加充分、燃燒更加充分，柴油機經濟性、動力性提升的同時，排放結果也得了改善。(2)當最大供油量一定并保持噴油終點不變時，供油速率增大時相應噴油正時減小，在各工況下NOx的濃度均減小。因噴油終點不變，放熱規律受影響不大避免了煙度的上升和功率的下降，這比單獨減小噴油正時的方法要好。為了提高泵端壓力和供油速率，采用最直接有效的措施：加大凸輪軸升程和柱塞直徑。噴油器的改進，主要從孔徑、油束空間分布、壓力室容積、開啟壓力等方面入手。適當增加開啟壓力并采用小孔多點噴射，使噴油顆粒更加細化、燃油與空氣的混合更加充分均勻；根據燃燒室的形狀和位置的不同對噴油器的油束空間分布進行重新設計，設計時充分考慮了噴油落點、油線夾角、進氣門位置等因素；在燃燒過程的后期噴油器的針閥雖然已經給關閉，但壓力室內儲存的燃油受高溫影響膨脹，其中一部分以滴漏的形式進入燃燒室參加燃燒，生成了大量的HC，為此減少壓力室容積，這樣對控制HC生成非常有效8。3.7微粒捕集器柴油機微粒捕集器，可將排氣中微粒捕捉不使其排出機外，再利用催化劑，氧化器，燃燒器等進行分解、燃燒。這利裝置可將柴油機排氣中有害物微粒減少 70%90%。用來捕集微粒的過濾器的材料和結構有許多種，常用的有整體式陶瓷，金屬絲網，紡織纖維圈，陶瓷纖維，泡沫陶瓷等。3.8催化凈化裝置催化凈化裝置是一種內部裝有催化劑的裝置，裝在發動機的排氣管中。催化劑能使發動機排氣中的有害成分加速轉變成無害成分。催化凈化方法有兩種，一種是催化氧化法（如氧化催化反應裝置），它以鉑，鈀，黃金，鈷，鎳等金屬及其氧化作為催化劑，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）氧化成無害成分二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）。另一種是催化還原法（如氨選擇性催化還原 NOX(NH3-SCR)），它以堿金屬，鈷鉻合金作為催化劑，使有害成分氮氧化合物（NOX）還原為氮氣（N2）和氧氣（O2）。氧化催化反應裝置在車用發動機中已廣泛應用，氨選擇性催化還原NOX(NH3-SCR)是當今 NOx 催化凈化的研究熱點之一9。4.總結通過前期多方查閱資料，發現以下規律和改進途徑：（1） 改進機體的結構，提高剛性減少變形是有效改善柴油機排放的基礎。（2） 合理優化燃燒室、鑲塊、高壓油管的設計參數可以在低成本的基礎上開發出滿足嚴格排放法規的非道路用柴油機。（3） 采用微粒捕集器、催化凈化裝置也能有效地改善小型非道路柴油機的排放。從中可以看出唯有技術進步和先進的測試設備支撐才能最快達到排放限制。在以后的調研中，將繼續深入研究實現小型非道路柴油機低排放的各種辦法，對各種方法的技術路線、花費、排放優化程度進行詳細總結，并找出最優的技術路線。5.參考文獻1譚丕強，胡志遠.非道路用直噴式柴油機排放性能改進.農業機械學報，2008:52郭紅琦.工程機械柴油機的排放標準與控制技術.石家莊鐵道學院學報，2007:13張庚乾，吳潔紅.非道路柴油機實現歐排放的技術路線研究.拖拉機與農用運輸車，2006:44丁雨林.滿足未來排放法規的非道路用柴油機技術.現代零部件，2008:45林曉磊.我國非道路柴油機排放標準現狀及挑戰.工程機械，2004:47張維海，李艷紅.非道路多缸小缸徑柴油機排放控制措施.內燃機與動力裝置，2009:38王世龍.國內外非道路柴油機排氣污染物標準及管理制度.建設機械技術與管理，2010:89丁洪春，李忠照.非道路移動機械用柴油機排放法規與控制策略.中國水運，2008:1隨著非道路機械保有量的不斷增加，非道路用發動機的污染物排放量也越來越受到關注。第階段限值要求的實施已經將近三年，車用發動機于2013年將執行國排放標準，非道路國排放標準的發布和實施時間已是相當緊迫，做好該類發動機國排放技術路線分析和應對策略是各發動機生產企業的當務之急。1 歐美排放法規分析和借鑒1.1 歐美非道路法規發展歷程第一部歐洲非道路車輛排放法規發布于1998年2月27日（97/68/EC指令），該法規的細則對非道路車輛用柴油機按輸出功率范圍規定了第階段和第階段的排放限值和實施時間。2002年，歐盟委員會發布了對非道路車輛用發動機第/階段排放標準的建議，并且在2003年10月為歐洲理事會所修改，第階段排放標準從2006年2012年，第階段排放標準從2014年開始執行。第/階段排放法規僅用于新的車輛和設備，已經在用的機械仍按第階段和第階段法規，一直到發動機被代替為止（見表1）。美國在1994年采納了聯邦第一個對新的37 kW以上非道路車輛用柴油機排放標準（Tier 1），在19962000年分步實施。1998年，調整了Tier 1的細則，也用于37 kW以下非道路車輛用柴油機，并發布了20002008年分步采用更加嚴格的用于所有非道路車輛的排放標準Tier 2和Tier 3的時間表。Tier 13排放標準是需要通過先進的發動機設計來達到的，而不用或僅限制使用排氣后處理器（氧化催化劑）。Tier 3排放標準對于NOx+HC限值的嚴格程度與2004年道路車輛發動機的排放標準相似，但是，Tier 3排放標準沒有采用2004年道路車輛發動機微粒（PM）的排放限值。1.2 歐美典型發動機的統計分析歐美非道路用發動機廣泛應用各類工程和建筑機械，如裝載機、挖掘機、推土機、平地機、壓路機、自卸車等，各種農業機械如聯合收割機、拖拉機等。通過對37-560kW功率范圍的共約70種發動機（包括同型發動機不同配置）統計，功率與排量關系如圖1，技術路線統計如表2。2 國內非道路法規發展和國標準預案非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國、階段）修改采用歐盟(EU)指令97/68/EC（截止到修訂版2002/88/EC）關于協調各成員國采取措施防治非道路移動機械用壓燃式發動機氣態污染物和顆粒物排放的法律的有關技術內容。2006年9月8日獲得國家環保局批準，2007年10月1日實施第階段限值要求，2009年10月1日實施第階段限值要求。第階段限值要求已經將近實施三年，隨著車機排放標準的不斷升級，為適應環保要求非道路排放標準無論從時間上還是技術上都具備了升級的基礎。2011年，由國家環境保護部組織，濟南檢測中心起草了非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三階段）標準的征求意見稿，該意見稿修改采用歐盟(EU)指令97/68/EC（截止到修訂版2004/26/EC）關于協調各成員國采取措施防治非道路移動機械用壓燃式發動機氣態污染物和顆粒物排放的法律的有關技術內容。所以，參考歐美標桿發動機技術路線對國內發動機排放升級發展具有重要意義（見表2）。3 非道路第階段排放基本技術對策3.1 玉柴發動機的基本技術路線通過統計分析，全球非道路第階段排放發動機采用技術路線基本為：燃燒方式：直噴化，優化燃燒；進氣系：4氣門、渦輪增壓、增壓中冷、高流量氣道；燃料噴射系：電控單體泵、電控高壓共軌、電控泵噴嘴，主要用于75kW以上發動機EGR：主要用于4缸機。歐美發動機排放標準體系完善，技術成熟，充分借鑒成熟的技術路線可以起到事半功倍的效果，在技術研發和整機成本控本上都可以不走或少走彎路。 根據對歐美發動機的統計和分析，并參考其排量和功率的分布和技術路線，以及玉柴在車用發動機上對達標排放研究的經驗，我們確定了公司各系列產品的國基本技術路線，如圖2。3.2 玉柴發動機達標國主要技術特點按以上排量和功率分布確定的技術路線，玉柴對應的發動機平臺分別有4F（2.66L）、4D（4.2L）、6J（6.5L）、6A（7.25L）、6L（8.4L）和6MK（10.338L）。各平臺發動機都已開發完成達標國要求，可以充分滿足一致性生產的需要；部分機型完成MTBF超過1000小時的試驗通過達標考核。以4F發動機為例，簡要介紹發動機達標技術方案。該發動機基本技術參數見表4。該發動機在開發過程中，在噴油系統方面，加大油泵柱塞直徑和行程，提高泵端壓力；選用小孔徑噴油器，提高開啟壓力，增大夾角。發動機結構方面，優化凸輪軸型線、配氣相位和氣門升程以及缸蓋渦